地球不同圈层间的物质-能量交换解析VIP专享VIP免费

4地球不同圈层间的物质-能量交换地球各圈层之间的物质与能量状态的差异，是圈层相互作用和物质能量交换的动力。4．1不同圈层的能量交换（1）地球的热传导热量总是从高温区向低温区传递的，在第三章我们讨论了地球内部温度的分布状况。地球内部的热可以通过热传导、热辐射、激子（辐射激发的原子）、物质运动（如地下热泉、火山活动、岩浆活动、以及地幔对流等）几种方式传导到地球表面。物质运动传导输送的热能就会和前三种热传导方式总和的量级相当。（2）热流观测地球的热流值是通过大陆和海洋直接观测和计算的。将大约10m长的岩芯管插入沉积物中，测定从海底释放出来的热，岩芯管一侧的温度计则记录下不同深度的温度，将岩芯取上来之后，可以测定沉积物的热传导率，将热传导率乘以温度梯度即得热流值。大陆是将温度计放置在钻孔中测得的。目前已成千上万次地在不同的大陆和洋底测定了热流值和地温梯度。并由此掌握了大陆和大洋，以及不同地区热流的差异。一般估计，每年从地球内部传递到地表的热能大约8.37×1020J，平均每平方厘米的地表达6.28×10-6J，大概是每年通过地震释放能量的100倍。大陆热流：大陆壳最上部是花岗岩，花岗岩由于富含放射性元素，因而是最热的岩石。大陆热流一部分来自地壳岩石中的放射性元素衰变产生的热能，另一部分来自深部地幔，两者所占的比例，不同的构造区有所差别。如加拿大地盾深部产生的热流q值约2.93×10-6J／cm2／s，而这个地区地表热流值q为3.77×10-6J／cm2／s。说明有1／4的热流来自地壳，而3／4来自深部地幔。而在盆地和年轻的活动山区，地表平均热流值q约为8.37×10-6J／cm2／s，其中5.86×10-6J／cm2／s由深部地幔提供。这个年轻活动区年龄为0～65×106年，总热流值是古老地盾区的两倍。约70％热流来自地幔深部。地质学家推测上升的热对流柱位于盆地和年轻山脉之下，这里有热异常、地壳比较薄、火山作用及地震频繁等释放能量的构造运动。对于大陆而言，各种不同年龄的构造区，热流值有所差别，通常古老的稳定区热流值较低，年轻的活动区热流值较高。但总体上看，大陆平均热流值为5.86×10-6J／cm2／s。海底热流：同大陆相比，海底要年轻得多。海低热流值的观测发现，和大陆一样，热流值与地质特征关系密切。在近5×106年内形成的大洋中脊热流值大于1.26×10-5J／cm2／s，在50百万～100百万年年龄的海底洋盆热流值约5.86×10-6J／cm2／s，年龄大于125百万年的海底热流值小于5.07×10-6J／cm2／s。海底热流值随年龄增加而减少，说明了海底岩石圈的冷却过程。即从大洋中脊产生较热的岩石圈，向两侧逐渐推向远离中脊的海沟，温度逐渐冷却，冷却了的岩石圈在海沟处向下俯冲回到地幔中，地球物理学家认为这种对流形式约占地球总热流值的60％，是地球冷却的主要方式。4．2不同圈层的物质交换地球不同圈层之间的物质交换有多种方式，最主要的是地球的物质循环过程和元素的迁移过程。（1）地壳-地幔物质循环地球最大规模的物质循环是与板块运动分不开的，沿地幔热柱上升的玄武岩熔浆从大洋中脊涌出并冷却形成的洋壳，并在海沟处因俯冲作用被插入大陆岩石圈之下的软流圈，在地幔软流圈被加热并熔融，与地幔物质混合后重新加入地幔的对流循环。这部分内容将在第五章1．4节中详细介绍。岩浆-射气作用引起的地幔-地壳-水-大气的物质交换，幔源岩浆上升到地壳浅部或溢出地表并伴随气水的喷射，使地幔物质向地壳、水圈和大气圈迁移。另一方面，岩石在地壳内部也可以因地壳运动或放射性聚热而熔融，转变为岩浆，导致地壳内部的物质分异。岩浆冷却凝固形成的岩石上升到地表后，受风化作用而溶解、破碎呈溶液、碎屑，被水流、风搬运到湖泊、海洋沉积下来，随着地壳的下沉，在地壳深部压实形成岩石，或者随着洋壳俯冲到地幔软流圈加热熔融，重新加入地幔的对流循环（图4-9）。上述各种地质作用都引起壳-幔之间物质与元素的大规模的迁移和重新分配。（2）海底热泉海底存在许多因大洋中脊扩张而形成的裂隙，冰冷的海水沿裂隙下渗到几公里深处。当下渗海水遇到热的玄武岩时就会受热膨胀上升，形成富含从玄武岩中溶解的矿物质和气体的热泉从海底涌出。这已为各...